CN113943876B - 一种可室温大变形和时效强化的钛合金及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可室温大变形和时效强化的钛合金及其应用。通过在基体钛中添加一定数量的高温β‑Ti稳定元素和共析强化元素，扩大合金的β‑Ti相区，高温均匀化处理后获得完全固溶态合金，具有良好的塑性，可以进行室温冲压、轧制和胀型等冷加工。冷加工后时效处理使共析强化元素从基体中析出达到时效强化的效果。这种合金可以替代纯钛、α+β、近β钛合金和β钛合金，广泛地应用于既需要冷加工成型，又需要较高强度的零件生产，可以节省生产周期，降低合金材料成本和生产成本。

Description

一种可室温大变形和时效强化的钛合金及其应用

技术领域

本发明属于有色金属材料钛合金领域，具体涉及一种具有高塑性、可冷成型和时效强化的钛合金化学成分及其应用。

背景技术

钛合金由于其良好的耐腐蚀、生物相容性和高比强度等性能，广泛地应用于航天、航空、海洋、食品加工和医疗器械等各行各业中。在这些应用中，有些零件的制备需要采用室温加工方法成型，例如冷冲压和胀型，这就需要钛合金具有高塑性和冷成形能力。成型后，又希望零件具有较高的强度，从而满足对强度的要求。

纯钛具有非常好的塑性，例如1级纯钛(TA1)，可以在室温下进行大变形加工，例如冷冲压、冷拉拔和胀型等，但是纯钛的强度较低，需要增加零件的厚度来提高零件的强度，甚至有时无法满足零件强度的要求，限制了纯钛的应用。而钛合金中应用最广和应用量最大的α+β钛合金，例如Ti-6Al-4V合金具有非常高的强度，满足对强度的要求，但是合金的室温塑性低，无法进行室温下大变形加工，例如室温冲压和胀型等，需要在高温下进行变形，这就增加了加工工艺，降低了生产效率，提高了生产成本，同时加工后的表面质量不高。

β-钛合金普遍具有良好的塑性，可以满足室温下大变形要求，适应冷变形加工，但是β-钛合金一般很难实现相变强化，强度较低，而且合金中含有大量的β-Ti稳定化元素，合金的原材料昂贵。

因此，开发具有高塑性、可室温大变形且强度满足要求的钛合金成为钛合金研发的一个重要方向。

金属材料的一种强化机制是第二相弥散强化，就是在合金中析出具有高强度和高硬度的金属间化合物第二相，达到强化合金的效果。这一机制在铝合金和黑色金属中普遍采用，但是在钛合金中很少应用。如果将纯钛和β-钛合金良好的塑性与第二相弥散强化结合起来，就有可能开发出一种既具有良好室温塑性，可以实现室温大变形加工，又可以通过时效处理析出第二相，达到弥散强化的效果，这样的钛合金就可以适应室温大变形冷加工成型，满足对强度的要求。

发明内容

针对上述应用背景，本发明设计一种可室温大变形和时效强化的钛合金，并具体描述这种合金在板材和棒材中的应用。本专利所述合金从以下三个方面来实现高塑性、可冷成型和时效强化的性能：

首先，在纯钛或钛合金中加入合金化元素，这些合金元素需要满足：1)具有扩大钛合金β-Ti相稳定区的作用；2)在β相中具有>15％重量百分数的固溶度；3)与钛存在共析反应，可以通过共析反应获得第二相；4)在室温α相中固溶度重量百分数<5％。

满足上述条件的合金化元素包括锰、钴、铁、铜和银。

其次，合金化元素可以是上述元素中的一种，也可以是上述元素中的二种或二种以上元素，多种元素同时加入，可以获得更加稳定的效果。

再次，每种合金化元素的重量百分数不少于该合金元素在α-Ti中的室温固溶度，不超过该合金元素在β-Ti中的最大固溶度。

进一步，每种合金化元素的重量百分数不少于该合金元素在α-Ti中的最大固溶度，不超过该合金元素与钛二元合金的共析点合金成分。

再进一步，合金化元素的总重量百分数不超过30％。

上面所述的纯钛可以是各级纯钛，所述的钛合金可以是α、β钛合金或者近β钛合金中的某一种，也可以是其他钛合金。

将上述钛合金应用于板材和棒材的制备方法可以分为以下几步：

第一步，按照所设计的钛合金化学成分，熔配钛合金。为了获得化学成分均匀的钛合金铸锭，通常采用多次熔炼钛合金的方法。熔炼的原料可以是各种纯金属，也可以是几种合金的中间合金，熔炼后的钛合金浇注凝固形成钛合金铸锭。

第二步，铸锭经过高温开坯锻造、热轧、热挤压和热拉拔等热加工工艺加工成钛合金板材或棒材。此时获得的钛合金板材和棒材尺寸都比较大。

第三步，将上述棒材和板材进行高温均匀化处理，然后快速冷却至室温。高温均匀化处理的目的有两个：一个是使合金中存在的微观成分偏析变得更加均匀，从而使合金的变形性能更加稳定和均匀；另外一个是使添加的合金化元素完全固溶于钛基体中，形成过饱和固溶体。

高温均匀化处理的温度取决于合金元素与钛的二元共析温度以及合金中α相向β相的转变温度。均匀化处理温度越高，合金元素扩散的速度越快，达到化学成分均匀的时间越短。但是温度越高，合金晶粒长大的程度也越严重，材料的强度损失越大。因此在满足要求的情况下，一般选择较低的温度。

一般地，高温均匀化处理温度不低于合金元素与钛的共析反应温度。

进一步，为了达到合金元素完全固溶于基体钛中，处理温度比共析温度高100℃以上。

高温均匀化处理的时间，一方面取决于合金中合金化元素的含量和合金元素在钛中的固态扩散系数。合金元素的含量越高，需要的时间就更长；固态扩散系数大，需要的时间越短。另一方面，也取决于型材的大小。材料三维最小尺寸越大，达到化学成分均匀所需要的时间越长。

一般地，均匀化处理的时间不少于30分钟。

第四步，板材和棒材终成型。根据板材和棒材的尺寸要求，有时需要进行进一步的轧制和挤压等工艺来获得更小尺寸的板材或棒材。省略本步骤，不影响本专利合金在板材和棒材中的应用。

第五步，去应力退火处理。经过上述处理后的钛合金存在一定的应力，后续室温大变形时可能发生开裂等缺陷，因此，需要在一定温度下进行适当去应力退火处理。一般地，退火温度不超过共析温度的80％。

进一步，退火温度不超过共析温度的50％。

退火的时间取决于退火温度。退火温度高，所需要的时间就短；退火温度低，所需的退火时间就长。一般地，退火处理的时间不短于1小时。

经过上述处理后的钛合金，具备良好的室温塑性，可以适应于室温大变形冷加工，包括但不限于冷冲压、冷轧制和冷胀型等。上述钛合金根据最终的使用要求进行一系列的冷加工变形后，钛合金的强度值并没有到达最高值，可以采用时效处理，使合金中析出第二相，达到第二相弥散强化的效果。析出的第二相体积分数越高，强度也越高；第二相尺寸小，可以获得更佳的强化效果。时效温度高，析出第二相的速度就快，第二相长大的速度也快。但是当时效温度接近或者高于合金的共析温度时，第二相会出现固溶于基体的现象。

一般地，时效温度不高于钛合金的共析反应温度。

时效时间也影响最后的强度。时效时间越长，析出的第二相体积分数越大，强度也越高。当达到一定体积分数时，强度不再随时效时间的延长而增加。因此，需要根据合金成分和加工工艺流程等，调整时效时间。

本发明所述的钛合金由于含有一定数量的高电极电位合金元素，根据微区电势差抗菌机理，本发明所述的钛合金具有良好的抗菌性能，可以对常见的大肠杆菌和金葡菌产生强烈的抗菌效果。抗菌效果取决于合金中合金元素的含量和材料加工工艺。

具体实施方式

实施例1

本实施实例中，选择纯钛为基体合金，添加不同含量的锰、钴、铁、铜和银合金化元素为例进行叙述，并不影响本专利在其他钛合金为基体中的应用。为了方便陈述，选择2mm板材作为代表实施合金材料，并不表示合金材料仅仅局限于此种规格的材料。在实际应用中，只要适当选择加工工艺，其他规格材料也可以获得类似的塑性和时效强化效果。

为了描述合金的良好室温变形能力，在实施实例中，选择室温冷轧制大变形的方法，变形率85％，并不影响其他室温冷加工在专利合金的应用。

实施实例中合金板材加工过程：

合金熔炼→开坯锻造→热轧成4mm板材→均匀化处理→室温轧制成2mm板材→退火处理(检测退火态力学性能)→85％室温大变形→时效处理(检测时效态力学性能)。

采用室温拉伸性能来表征合金的室温塑性和强度。力学性能测试按照国家相关标准，选择片状拉伸试样，拉伸是在材料电子万能试验机上进行，自动给出拉伸的典型力学性能。拉伸是在室温下进行的。与1级工业纯钛的拉伸进行对比，延伸率不低于1级纯钛的，就认为可以适用于室温大变形冷加工。

具体选择退火后(退火态)合金和时效处理后(时效态)合金的力学性能分别表征合金良好的冷变形能力和时效强化效果。实施实例中给出的时效态强度性能并不是该合金具备的最高强度性能，仅仅了选择了一种时效处理，来说明该合金可以通过时效处理，来提高合金的强度性能。在实际应用中，可以根据合金的成分和加工历程，重新确定每种合金适合的时效处理工艺，获得最佳的力学性能。

从表1所列出的实施实例中可以看出，退火态钛合金都具有非常好的塑性，伸长率达到≥30％以上，远远高于纯钛的伸长率(25％)。经过85％变形率的大变形，合金保持良好的外形，没有开裂。经过时效处理后，合金的强度较退火态合金的强度显著提高，说明可以通过时效强化显著提高合金的强度，也就是说合金具有可时效强化性能。

表1可室温大变形和时效强化钛合金及其应用实例

Claims (3)

1.一种可室温大变形和时效强化钛合金板材的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括步骤如下：

1）在纯钛或钛合金中加入Co 5wt%、Fe 3wt%，电弧熔炼合金3次后，成铸锭，高温开坯锻造，热轧成4mm板材；

2）在850℃下高温均匀化处理3小时，水冷；

3）室温下轧制成2mm板材；

4）在300℃下退火处理8小时；

5）85%室温轧制；

6）在400℃下时效处理4小时。

2.一种可室温大变形和时效强化钛合金板材的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括步骤如下：

1）在纯钛或钛合金中加入Co 4wt%、Cu 3wt%、Ag 2wt%，电弧熔炼合金3次后，成铸锭，高温开坯锻造，热轧成4mm板材；

2）在950℃下高温均匀化处理4小时，水冷；

3）室温下轧制成2mm板材；

4）在500℃下退火处理10小时；

5）85%室温轧制；

6）在550℃下时效处理7小时。

3.一种可室温大变形和时效强化钛合金板材的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括步骤如下：

1）在纯钛或钛合金中加入Mn 2wt%、Co 2wt%、Cu 2wt%、Ag 2wt%、Fe 2wt%，电弧熔炼合金3次后，成铸锭，高温开坯锻造，热轧成4mm板材；

2）在850℃下高温均匀化处理4小时，水冷；

3）室温下轧制成2mm板材；

4）在300℃下退火处理8小时；

5）85%室温轧制；

6）在500℃下时效处理3小时。